Як влаштовані двигуни FSI, GDI, HPi або IDE: особливості двигунів з безпосереднім впорскуванням

Потужність та економічність будь-якого ДВЗ залежить від того, наскільки ефективно згорає в ньому пальне. Його потрібно подати в циліндри рівно стільки, скільки потрібно, а ще – добре перемішати з певною порцією повітря, необхідного для горіння. Тому будь-яка паливна система – один із найскладніших компонентів двигуна. Особливо якщо впорскування в машині — безпосереднє. У Volkswagen, наприклад, його називають FSI, а двигуни Mitsubishi з ним мають індекс GDI. Розбираємо, у чому переваги та недоліки такої системи.

 

 

У чому особливість двигуна з безпосереднім впорскуванням

 

Основна відмінність GDI- або FSI-двигуна від звичайного двигуна з традиційним впорскуванням – в принципі сумішоутворення. В ньому бензин подається не до впускного колектора, а просто в циліндри. Там він змішується з повітрям і одразу згоряє. До речі, офіційне позначення безпосереднього впорскування, введене SAE, — DFI (Direct Fuel Injection), але автовиробники віддають перевагу своїм абревіатурам. Mercedes-Benz використовує позначення CGI, Peugeot — HPi, Renault — IDE, Mazda — DISI і так далі.

 

 

Для FSI-двигуна розшифрування трохи інше – Fuel Stratified Injection. Дослівно — «пошарове впорскування пального». До чого тут шари? Одна з переваг безпосереднього впорскування — можливість роботи такого мотора на сильно збідненій суміші. Якщо у звичайному двигуні оптимальне співвідношення повітря до палива 14,7:1, то мотор FSI здатний спалювати суміш 20:1, а в деяких режимах ще бідніше і, таким чином, економити бензин. Але досягається це складним розподілом суміші всередині циліндра тими самими шарами. Пальне впорскується так, щоб суміш була нормальної якості лише біля свічки запалювання. Тоді займання в циліндрі буде стійким, а згоряння повним.

 

Першими подібний процес серійно впровадили в Mitsubishi, створивши лінійку двигунів GDI, а за ними на початку 2000-х ідею реалізував концерн Volkswagen з моторами FSI.

 

Принцип роботи та будова двигуна FSI або GDI

 

Коли не потрібна велика потужність (наприклад, в режимі холостого ходу), двигун з безпосереднім впорскуванням працює в режимі максимального збіднення суміші. У цьому випадку бензин впорскується в камери згоряння ближче до кінця такту стиснення, причому подається переважно в область свічки запалювання, біля електродів якої суміш рахунок конфігурації циліндра і поршня завихрюється і легко запалюється.

 

Діаметрально полярний випадок – максимальне навантаження на двигун. Тут необхідно реалізувати весь потенціал його робочого об'єму, тому бензин впорскується ще на такті впуску, причому цих впроскувань за один такт може бути кілька. У підсумку в камері згоряння утворюється більш «потужна», гомогенна або трохи збагачена паливоповітряна суміш.

 

Проміжні сценарії сумішоутворення існують і для отримання необхідної робочої суміші при рівномірних навантаженнях на двигун і для перехідних режимів його роботи.

 

 

Але не треба дувати, що технічно FSI-двигун відрізняється від звичайного інжекторного тільки місцем впорскування. Це радикально інша конструкція з іншими компонентами. Наприклад, спеціальними форсунками та паливним насосом високого тиску (ПНВТ). Якщо в системах живлення звичайних моторів робочий тиск пального 3–4 атмосфери, то ПНВТ двигуна з безпосереднім впорскуванням стискає його до 50–130 атмосфер. Ба більше, потрібна інша, складніша геометрія камери згоряння, а також підвищення ступеня стиснення двигуна (зазвичай до 12:1, хоча доходить і до 14:1).

 

Нарешті, FSI — це більш складний та вартісний каталітичний нейтралізатор відпрацьованих газів. Річ у тім, що робота на збідненій суміші має суттєвий недолік – «зайвий» кисень, нагрітий до високої температури, який вступає в реакцію з азотом. У підсумку утворюються дуже шкідливі оксиди азоту NOx. Для їхнього руйнування потрібні додаткові компоненти-каталізатори.

 

Застосування безпосереднього впорскування пред'являє більш високі вимоги не тільки до конструкції силового агрегату, але й до якості бензину та мастильних матеріалів.

 

 

Принцип роботи двигунів FSI/TFSI

 

Плюси та мінуси двигуна з безпосереднім впорскуванням

 

Тепер про практичну сторону більш складної будови FSI-двигуна. Переваги такі:

 

• За рахунок більш ефективного спалювання паливоповітряної суміші мотори FSI, HDI або IDE економічніші за двигуни зі звичайним впорскуванням в середньому на 15-25%.
• Літрова потужність теж вища на 10–15%, тобто можна отримувати ту саму віддачу при меншому об`ємі двигуна. А чим менший о`бєм — тим менша вага.
• Такий мотор може відповідати суворішим екологічним нормам, а також ефективніше використовувати в конструкції наддув повітря. Річ у тім, що пряме впорскування бензину в циліндри знижує температуру в них і, як наслідок, схильність до детонації, яка є слабким місцем багатьох турбомоторів.

Втім, FSI-двигун має і чимало мінусів:

 

• Конструкція складніша, ніж у моторів з розподіленим впорскуванням, що випливає у загальне зниження надійності.
• FSI-двигуни більш вимогливі до обслуговування та якості витратних матеріалів. Навіть пального — те, яке «переварить» двигун з розподіленим впорскуванням, у двигуна з безпосереднім впорскуванням може викликати несправності в паливній системі (насамперед, з форсунками або ПНВТ).
• Підвищується вартість такого двигуна як при виробництві, так і у разі ремонту. Йому потрібна більша номенклатура дорожчих запасних частин.
• Пошарове впорскування вимагає дуже точного дозування – через це вищий ризик того, що мотор не заведеться в холодну погоду. Наприклад, з цим зіткнулися перші українські власники автомобілів з моторами FSI, і автовиробнику довелося доопрацьовувати їх «прошивки».

Отже, якщо коротко:

 

• Що означає FSI-двигун? Це абревіатура Volkswagen для двигуна із системою безпосереднього впорскування.
• Основною відмінністю FSI-двигуна є те, що при сумішоутворенні бензин подається не у впускний колектор, а безпосередньо в циліндри.
• Для реалізації безпосереднього впорскування FSI двигун має складнішу програму управління, спеціальні форсунки та паливний насос високого тиску.
• Мотор FSI має плюси у вигляді паливної економічності, більшої літрової потужності, меншої ваги та кращої екологічності.
• До мінусів двигуна FSI можна віднести ускладнення конструкції, загальне зниження надійності, більшу вимогливість до обслуговування та якості витратних матеріалів (включаючи бензин), а також дорогий ремонт.